1500mm五機(jī)架冷連軋邊部減薄控制系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用

宋君，劉寶權(quán)，吳萌，王奎越，李志鋒，金耀輝（鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧鞍山114009）

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1500mm五機(jī)架冷連軋邊部減薄控制系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用

宋君，劉寶權(quán)，吳萌，王奎越，李志鋒，金耀輝
（鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧鞍山114009）

摘要：依托于鞍鋼1500mm冷連軋機(jī)工作輥竄輥在線改造工程，利用1～3機(jī)架增加工作輥竄輥功能平臺，結(jié)合工藝技術(shù)設(shè)計(jì)及控制系統(tǒng)開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了對帶鋼邊部減薄的自動(dòng)控制。簡要介紹了邊降控制系統(tǒng)的硬件配置與軟件設(shè)計(jì)流程，并詳細(xì)闡述了邊降控制系統(tǒng)中過程控制的預(yù)設(shè)定計(jì)算方法及基礎(chǔ)自動(dòng)化閉環(huán)反饋控制、彎輥補(bǔ)償算法。生產(chǎn)實(shí)踐表明，邊降控制系統(tǒng)的投入，能有效控制電工鋼產(chǎn)品的邊部減薄，并使之達(dá)到預(yù)定的控制目標(biāo)，取得了很好的效果。

關(guān)鍵詞：冷連軋；邊降控制；工作輥竄輥；過程控制

宋君，碩士，高級工程師，2014年畢業(yè)于大連理工大學(xué)電氣工程專業(yè)。E-mail：junjun.s@163.com

冷軋硅鋼產(chǎn)品是冷軋生產(chǎn)中的高附加值產(chǎn)品，由于產(chǎn)品大多數(shù)應(yīng)用到變壓器、發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)中，所以對硅鋼片產(chǎn)品帶鋼的橫向厚度均勻性有著嚴(yán)格的要求，一般要求帶鋼邊部厚度與中心厚度的差不大于7μm。但是在冷軋硅鋼生產(chǎn)中帶鋼經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)邊部減薄的現(xiàn)象，該現(xiàn)象主要是由于帶鋼邊部的金屬橫向流動(dòng)以及軋輥的彈性壓扁影響的。世界各鋼鐵企業(yè)為了提高帶鋼橫向厚度均勻性，一般采用帶錐度、可橫向竄動(dòng)的軋輥對帶鋼進(jìn)行軋制。而不具備竄動(dòng)能力的HC、UC軋機(jī)，為了滿足橫向厚差要求，只有在后續(xù)工序進(jìn)行切邊處理［1］。解決冷軋無取向電工鋼邊部減薄問題，不僅要從工作輥輥徑或輥形曲線設(shè)計(jì)方面考慮，還應(yīng)包括：工作輥竄輥功能預(yù)設(shè)控制、工作輥彎輥補(bǔ)償和邊降反饋控制等方面綜合控制［2］。

鞍鋼股份有限公司冷軋硅鋼廠1500mm冷連軋機(jī)2005年建成投產(chǎn)，主要產(chǎn)品定位于電工用鋼，機(jī)組不具備工作輥竄輥功能。為提高中低牌號無取向電工鋼產(chǎn)品的橫向厚度差控制精度，更好地滿足客戶對電工鋼質(zhì)量的不斷要求，鞍鋼集團(tuán)公司決定對鞍鋼1500mm冷連軋機(jī)進(jìn)行技術(shù)升級改造，其中，鞍鋼鋼鐵研究院負(fù)責(zé)整個(gè)邊部減薄電氣自動(dòng)化控制部分。項(xiàng)目利用鞍鋼1500mm冷連軋機(jī)1～3機(jī)架增加工作輥竄輥功能平臺，結(jié)合工藝技術(shù)設(shè)計(jì)及控制系統(tǒng)開發(fā)，實(shí)現(xiàn)對帶鋼邊部減薄的控制，以提高鞍鋼電工鋼產(chǎn)品的市場競爭力。

1　邊降控制系統(tǒng)介紹

1.1定義

冷軋帶鋼在被軋輥壓扁的過程中，帶鋼在距離邊部某一位置向邊部方向厚度會(huì)發(fā)生快速減少，這種情況被稱為帶鋼邊緣降。軋后帶鋼的理想斷面形狀如圖1（a）所示，為一規(guī)則的矩形，斷面各點(diǎn)處厚度完全相同。但由于軋輥彈性彎曲變形、軋輥彈性壓扁、來料凸度和硬度變化等原因，軋后帶鋼實(shí)際斷面如圖1（b）所示，呈中間厚兩邊薄的形狀，各點(diǎn)處帶鋼的厚度不同，且存在局部高點(diǎn)。

圖1　帶鋼斷面理想和實(shí)際形狀

圖中hc為帶鋼斷面中間處的厚度；he1和he2為距帶鋼兩側(cè)一定距離處的帶鋼厚度；he3和he4為帶鋼兩側(cè)邊部的厚度。通常將（he1-he2）定義為楔形，hc-（he1+he2）/2定義為帶鋼的中心凸度，（he1-he3）和（he2-he4）定義為邊部減薄。he3、he4為距離邊部15mm處的帶鋼厚度；he1、he2為距離邊部115mm處的帶鋼厚度［3］。

1.2邊降控制系統(tǒng)概述

整個(gè)邊降控制系統(tǒng)分為三層，最底層儀表層，包括軋機(jī)1機(jī)架前入口的32點(diǎn)凸度儀與軋機(jī)5機(jī)架出口的32點(diǎn)邊降儀（兩臺儀表型號一致，因作用不同所以叫法不同）；第二層為基礎(chǔ)自動(dòng)化（簡稱一級），負(fù)責(zé)采集兩臺大儀表的實(shí)際值數(shù)據(jù)，根據(jù)帶鋼實(shí)際的入口出口邊降情況通過對工作輥竄輥、彎輥等參數(shù)的調(diào)整對帶鋼的邊降進(jìn)行閉環(huán)控制；第三層為過程控制系統(tǒng)（簡稱二級），二級系統(tǒng)負(fù)責(zé)根據(jù)入口凸度儀檢測的帶鋼來料凸度和帶鋼的原料主數(shù)據(jù)，查表計(jì)算得到1～3機(jī)架的工作輥竄輥插入量參數(shù)與工作輥彎輥補(bǔ)償值，作為邊部減薄控制系統(tǒng)的預(yù)設(shè)定參數(shù)，下發(fā)到基礎(chǔ)自動(dòng)化一級。邊部減薄系統(tǒng)的核心除了整個(gè)控制系統(tǒng)，同時(shí)軋制帶鋼使用的單錐度工作輥錐形段的輥型也非常重要，帶鋼軋制時(shí)，邊部會(huì)進(jìn)入工作輥的錐形段區(qū)域，作用主要是補(bǔ)償帶鋼邊部的軋輥壓下作用力。

邊降控制系統(tǒng)的硬件主要包括機(jī)組出入口的兩臺邊降儀及其信號連接模板、1到3機(jī)架工作輥竄輥輸入輸出信號模板、兩臺查看帶鋼出入口邊降實(shí)際值的HMI人機(jī)接口服務(wù)器。兩臺儀表采集的數(shù)據(jù)通過工業(yè)以太網(wǎng)發(fā)送到基礎(chǔ)自動(dòng)化TDC控制系統(tǒng)中，如圖2所示。

整個(gè)控制系統(tǒng)的核心在于帶鋼在進(jìn)入軋機(jī)前，二級過程控制系統(tǒng)根據(jù)入口凸度儀采集到的原料實(shí)際邊降值和原料鋼卷的寬度、厚度和鋼種信息，對1～3機(jī)架的工作輥竄輥設(shè)定值進(jìn)行修正計(jì)算，并把工作輥竄輥的預(yù)設(shè)定值下發(fā)到基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)，基礎(chǔ)自動(dòng)化接收到預(yù)設(shè)定值后會(huì)在帶鋼焊縫進(jìn)入軋機(jī)前，把工作輥軸向竄動(dòng)到預(yù)設(shè)位置。當(dāng)帶鋼進(jìn)入軋機(jī)軋制后，基礎(chǔ)自動(dòng)化會(huì)根據(jù)軋機(jī)出口邊降儀采集到的帶鋼實(shí)際邊降信息，對上下工作輥竄輥進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，保證帶鋼出口的邊降值達(dá)到目標(biāo)要求。邊降閉環(huán)控制示意圖見圖3。

2　二級過程控制系統(tǒng)

整個(gè)二級過程控制系統(tǒng)由許多的相互間通訊的進(jìn)程組成，在邊降自動(dòng)控制系統(tǒng)中二級主要負(fù)責(zé)計(jì)算1到3機(jī)架的工作輥竄輥預(yù)設(shè)定值發(fā)送給基礎(chǔ)自動(dòng)化，其計(jì)算流程如圖4所示。

（1）操作工錄入1～3機(jī)架軋輥類型數(shù)據(jù)。

（2）帶鋼進(jìn)入軋機(jī)序列后，一級向二級請求設(shè)定值。

（3）二級跟蹤進(jìn)程接收讀取軋輥數(shù)據(jù)和邊降工藝參數(shù)，并利用模型公式計(jì)算出工作輥竄請求并轉(zhuǎn)發(fā)給軋制策略進(jìn)程。

（4）軋制策略進(jìn)程準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)向模型計(jì)算進(jìn)程發(fā)送設(shè)定值計(jì)算請求。

圖2　邊降控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)配置圖

圖3　邊降閉環(huán)控制示意圖

圖4　過程控制系統(tǒng)功能流程圖

（5）模型計(jì)算進(jìn)程從數(shù)據(jù)庫中輥設(shè)定值發(fā)送給設(shè)定值處理進(jìn)程。

（6）二級設(shè)定值處理進(jìn)程把工作輥竄輥設(shè)定值發(fā)送給基礎(chǔ)自動(dòng)化。

（7）采集完成帶鋼入口實(shí)際凸度值后二級利用實(shí)際凸度值對邊降工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化后重新計(jì)算工作輥竄輥設(shè)定值下發(fā)給基礎(chǔ)自動(dòng)化。

2.1預(yù)設(shè)定計(jì)算

對原料的鋼種、寬度和出口厚度進(jìn)行分類，不同的原料帶鋼邊部進(jìn)入錐形段的距離會(huì)不一樣；根據(jù)三類層別數(shù)據(jù)最終確定帶鋼插入工作輥錐形段的長度，負(fù)數(shù)為進(jìn)入錐形段，正數(shù)為帶鋼邊部還有多遠(yuǎn)進(jìn)入錐形段。進(jìn)入錐形段的距離參考西馬克和日本三菱公司的經(jīng)驗(yàn)值。工作輥竄輥模型計(jì)算公式：

式中，WSs為工作輥竄輥設(shè)定值；Wst為帶鋼寬度；EL為帶鋼進(jìn)入工作輥錐形段距離。

2.2入口凸度儀修正

由于入口熱軋卷原料的凸度對軋機(jī)出口帶鋼邊部減薄有一定影響，所以安裝入口凸度儀可以有效地檢測原料的實(shí)際凸度情況。當(dāng)入口凸度儀實(shí)際檢測值與三級下發(fā)鋼卷主數(shù)據(jù)凸度差別較大時(shí)，二級系統(tǒng)會(huì)根據(jù)入口凸度儀實(shí)際檢測的數(shù)據(jù)，對1～3機(jī)架的工作輥竄輥設(shè)定值進(jìn)行修正。計(jì)算公式如下：

式中，Wsδt，icr、Wsδb，icr分別為機(jī)架上、下工作輥竄動(dòng)的凸度修正量；Cr為凸度的實(shí)績；αi、βi為不同機(jī)架凸度補(bǔ)正系數(shù)；Wsδt，i、Wsδb，i分別為i機(jī)架操作人員手工修正量。

入口凸度儀檢測的原料實(shí)際凸度數(shù)據(jù)不僅用于二級的預(yù)設(shè)定值修正，同時(shí)基礎(chǔ)自動(dòng)化在對帶鋼邊降進(jìn)行閉環(huán)控制的時(shí)候，也會(huì)根據(jù)入口凸度儀實(shí)際檢測值對1～3機(jī)架的工作輥竄輥設(shè)定值進(jìn)行實(shí)時(shí)修正。

3　基礎(chǔ)自動(dòng)化閉環(huán)控制

邊部減薄控制系統(tǒng)由兩部分功能組成：將出口帶鋼邊降實(shí)際值用于工作輥竄輥位置反饋控制、根據(jù)工作輥竄輥位置變化對工作輥彎輥進(jìn)行補(bǔ)償控制。

3.1邊降反饋控制

邊降反饋控制根據(jù)5#機(jī)架出口邊降儀檢測的成品橫向斷面的厚度實(shí)際值，分為邊升控制和邊降控制兩部分，而邊升控制的優(yōu)先控制等級要高于邊降控制。針對邊部減薄的問題，閉環(huán)控制根據(jù)檢測到的邊部厚度偏差量，通過插值運(yùn)算計(jì)算1機(jī)架的竄輥插入調(diào)節(jié)量，將總的偏差減去1機(jī)架工作輥竄輥影響量，然后插值運(yùn)算計(jì)算2機(jī)架的竄輥插入調(diào)節(jié)量，3機(jī)架的竄輥插入調(diào)節(jié)量同理求出。插值運(yùn)算所用的曲線如圖5所示，根據(jù)理論計(jì)算和現(xiàn)場調(diào)試獲得。

圖5　反饋控制示意圖

3.2彎輥補(bǔ)償

在基礎(chǔ)自動(dòng)化對帶鋼邊部減薄進(jìn)行閉環(huán)控制的時(shí)候，由于1～3機(jī)架的工作輥竄輥會(huì)對帶鋼的板形控制產(chǎn)生不良的影響，為了消除影響，需要對工作輥彎輥設(shè)定進(jìn)行一定補(bǔ)償，補(bǔ)償?shù)膹澼佒禃?huì)與基礎(chǔ)自動(dòng)化板形控制中的彎輥設(shè)定相結(jié)合［4］。彎輥補(bǔ)償公式如下：

式中，ΔFw，iact為機(jī)架彎輥補(bǔ)償量；ΔSw，iact為機(jī)架WR竄動(dòng)位置變化量；ΔSw，iact、Swb，iact為上/下工作輥竄動(dòng)位置實(shí)際值；Kwi為彎輥影響系數(shù)。

4　現(xiàn)場應(yīng)用效果

整個(gè)邊降控制系統(tǒng)已投入運(yùn)行6個(gè)多月，系統(tǒng)投入前后現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖6、圖7所示。

圖6　系統(tǒng)投入前邊部減薄統(tǒng)計(jì)情況

圖7　系統(tǒng)投入后邊部減薄統(tǒng)計(jì)情況

圖6所示帶鋼寬度為1120mm，出口厚度0.5mm，連續(xù)軋制16卷，邊降控制系統(tǒng)不投入使用。穩(wěn)態(tài)軋制時(shí)，邊降平均值9.43μm。動(dòng)態(tài)變規(guī)格時(shí)，邊降值11.2μm。

圖7所示帶鋼寬度為1120mm，出口厚度0.5mm，1機(jī)架插入量為60mm，2機(jī)架插入量為30mm，3機(jī)架插入量為10mm，連續(xù)軋制16卷。穩(wěn)態(tài)軋制時(shí)，邊降控制2σ值3.75μm。動(dòng)態(tài)變規(guī)格時(shí)，邊降控制值7μm。

通過整個(gè)邊降控制系統(tǒng)的在線調(diào)節(jié)，使帶鋼的出口邊降值減少了50％以上，大大提高了產(chǎn)品的橫向厚度精度和機(jī)組的成材率，增強(qiáng)了鞍鋼冷軋電工鋼產(chǎn)品的市場競爭力。

5　結(jié)論

（1）具備有邊降控制手段的冷連軋機(jī)通過單錐度工作輥的運(yùn)用，可有效改善帶鋼邊部的厚度控制效果，減少邊降產(chǎn)生，同時(shí)也可減少后道工序的切邊量，提高成材率。

（2）整個(gè)邊降控制系統(tǒng)的在線投入對機(jī)組1～3機(jī)架的軋制力閉環(huán)控制、張力控制、厚度控制基本沒有影響，可以保證機(jī)組高速穩(wěn)定的運(yùn)行。

（3）具有工作輥竄輥功能的軋機(jī)邊部厚度控制功能目前大多數(shù)應(yīng)用于電工鋼產(chǎn)品，對于擴(kuò)展應(yīng)用到其它冷軋產(chǎn)品應(yīng)進(jìn)一步開展研究。

參考文獻(xiàn)

［1］朱簡如，林秀貞，吳平，等.五機(jī)架UCMW冷連軋機(jī)板形平坦度自動(dòng)控制系統(tǒng)［J］.銅業(yè)工程，2005（2）：26～28.

［2］張清東，黃偉倫，周曉敏.寬帶鋼軋機(jī)板形控制技術(shù)比較研究［J］北京科技大學(xué)學(xué)報(bào).2000，Vo.l 22（2）：177～181.

［3］Toshinobu Nakanishi.Edge -Drop Control of Hot and Col dRolled Strip by Tapered-Crown Work Roll Shifting Mill［J］.I-ron and Steel Engineer，1995（2）：27～32.

［4］Tetsuo Kajihara.Rolling Characteristics of Cold Strips onCross Rolling［J］.Journal of the JSTP，1995（12）：1403～1408.

（編輯袁曉青）

修回日期：2015-06-04

Development and Application of Control System for Edge-drop of Steel Strips Produced by 1500mm Five-stand Tandem Cold Mill

Song Jun，Liu Baoquan，Wu Meng，Wang Kuiyue，Li Zhifeng，Jin Yaohui
（Iron & Steel Research Institutes of Ansteel Group Corporation，Anshan 114009，Liaoning，China）

Abstract:Based on the online upgrading project for solving the shifting problem work rolls in Angang 1500mm tandem cold mill，the function platform for controlling the shifting of work rolls was constructed by making use of the strands from No.1to No.3 so that the automatic control for edge-drop of steel strips can be achieved with the help of technologies or processes and development of control systems.And the configuration of hardware for the control system for edgedrop and the software design flow were also introduced.The preset calculation method for the process control of the control system for edge-drop was discussed and the compensation algorithm for the basic automatic closed-loop feedback control and the bending compensation of bending rolls were also explained.The production practice shows that the edge-drop of silicon steel sheets can be effectively controlled with the expected results by application of the control system for the edge-drop.

Key words:tandem cold mill；control of edge-drop；shifting of work rolls；process control

中圖分類號：TG335

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1006-4613（2016）03-0023-05